C Wärmeverteilung. 4 Pumpen. Heizungs- und Energietechnik Pumpen. Themen
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- Albert Hausler
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1 C Wärmeverteilung 4 Themen Die Anlagekennlinie und die Schaltungen der Teilstrecken, Herleitung Teilstreckenkonstante, Aufzeichnen einer Teilstrecke (Tabelle, Diagramm), Herleitung Serieschaltung (graphisch, rechnerisch), Herleitung Parallelschaltung (graphisch, rechnerisch), Erarbeiten der Anlagekennlinie, Erarbeiten der einzelnen Betriebspunkte der Teilstrecken Zielsetzung: Sie können die Anlagekennlinie sowie Parallel- und Serieschaltungen berechnen, aufzeichnen und beurteilen. im Auslegungs- und Teillastbetrieb beurteilen. Inhaltsverzeichnis übersicht Anlagenkennlinie Serie- und Parallelschaltung Graphische Lösung der Serie- und Parallelschaltung Das diagramm Die regulierte Pumpe Die Über- und Unterversorgung im Auslegezustand Das Regulierventil im Teillastverhalten Der k VS -Wert und die Ventilautorität Wärmeübertrager und Ventilkennlinien Der Wirkungsgrad von NPSH und Kavitation Literatur- und Quellenverzeichnis Prof. Werner Betschart Seite - 1
2 Formel und Abbildungsverzeichnis Abb. 1 Nassläuferpumpe (Grundfos, Biral, EMB)... 3 Abb. 2 Trockenläuferpumpe (Grundfos, Biral, EMB)... 4 Abb. 3 Sockelpumpe (Grundfos)... 5 Abb. 4 Geschlossener hydraulischer Kreislauf... 6 Abb. 5 Offenes hydraulisches System... 8 Abb. 6 Serieschaltung von Teilanlagen Abb. 7 Parallelschaltung von Teilanlagen Abb. 8 Parallelschaltung (Grundfos) Abb. 9 Serieschaltung (Grundfos) Abb. 18 a-wert Bestimmung (Siemens) Abb. 14 Streckenkennlinie (Siemens) Abb. 10 datenblatt Pumpe (Grundfos) Abb. 22 laufrad zerstört durch Kavitation Abb. 23 Anlagenbild für NPSH Berechnung Prof. Werner Betschart Seite - 2
3 4.1 übersicht Inhalt: typen Ziel: Sie können die typen erklären. Nassläuferpumpe Abb. 1 Nassläuferpumpe (Grundfos, Biral, EMB) Prof. Werner Betschart Seite - 3
4 Trockenläuferpumpe Abb. 2 Trockenläuferpumpe (Grundfos, Biral, EMB) Prof. Werner Betschart Seite - 4
5 Sockelpumpe Abb. 3 Sockelpumpe (Grundfos) Prof. Werner Betschart Seite - 5
6 4.2 Anlagenkennlinie Inhalt: Anlagenkennlinie, Betriebspunkt, geschlossener Kreislauf, offenes System Ziele: Sie können den Betriebspunkt von HLK- Anlagen mit Hilfe von Anlagendaten berechnen und grafisch mit einer Anlagenkennlinie darstellen. Abb. 4 Geschlossener hydraulischer Kreislauf Prof. Werner Betschart Seite - 6
7 Beispiel: Gegeben: Ein hydraulischer Kreis hat folgende Daten: Volumenstrom der Anlage: 10 m 3 /h Druckverlust in der Anlage: 2.9 m WS Gesucht: 1. Berechnen Sie die Konstanten C und K 2. Berechnen Sie mit den Konstanten C und K die Druckverluste mit den Volumenströmen von 0 bis 12 m 3 /h. 3. Konstruieren Sie die Gesamtanlagenkennlinie in das nebenstehende diagramm. 4. Auf welcher Drehzahl muss die Pumpe betrieben werden? Volumenstrom m 3 /h Druckverlust mit C mws Druckverlust mit K mws Prof. Werner Betschart Seite - 7
8 Offenes hydraulisches System Abb. 5 Offenes hydraulisches System Prof. Werner Betschart Seite - 8
9 Beispiel: Gegeben: Ein offenes hydraulisches System hat folgende Daten: Volumenstrom der Anlage: 10 m3/h geodätische Höhe 1.5 mws Druckverlust Anlage: 1.4 mws Gesucht: 1. Berechnen Sie die Konstante K 2. Berechnen Sie mit der Konstante K den Druckverlust mit den Volumenströmen von 0 bis 12 m 3 /h. 3. Berechnen Sie die Gesamtkennlinie der Anlage 4. Konstruieren Sie die Gesamtanlagenkennlinie in das diagramm. 5. Auf welcher Drehzahl muss die Pumpe betrieben werden? Volumenstrom m 3 /h Druckverlust mit K mws geodätische Höhe Gesamtanlagenkennlinie mws mws Prof. Werner Betschart Seite - 9
10 Prof. Werner Betschart Seite - 10
11 Prof. Werner Betschart Seite - 11
12 4.3 Serie- und Parallelschaltung Inhalt: Serie- und Parallelschaltungen, Gesamtanlagenkennlinie Ziel: Sie können Anlagenteilstrecken, die in Serie oder Parallel angeschlossen sind und die Gesamtkennlinie berechnen. Serieschaltung Abb. 6 Serieschaltung von Teilanlagen Prof. Werner Betschart Seite - 12
13 Beispiel: Für ein Ventil und eine Teilstrecke, die in Serie angeschlossen sind, muss der Gesamtdruckverlust berechnet werden. Gegeben: Folgende Daten sind bekannt: Daten Ventil: Volumenstrom der Anlage: 1.5 m 3 /h Druckverlust Ventil: 9.5 kpa Daten Teilstrecke: Volumenstrom der Anlage: 1.5 m 3 /h Druckverlust Teilstrecke: 5.5 kpa Gesucht: 1. Berechnen Sie die Konstanten C und K des Ventils und der Teilstrecke. 2. Berechnen Sie mit den Konstanten C und K die Druckverluste für die Serieschaltung. Prof. Werner Betschart Seite - 13
14 Parallelschaltung Heizkörper 1 Volumenstrom 1 Druckverlust 1 Volumenstrom 2 Druckverlust 2 Heizkörper 2 Abb. 7 Parallelschaltung von Teilanlagen Prof. Werner Betschart Seite - 14
15 Beispiel: Für 2 Heizkörper, die parallel angeschlossen sind, muss der Gesamtdruckverlust berechnet werden. Gegeben: Folgende Daten sind bekannt: Daten Heizkörper 1: Volumenstrom der Anlage: 0.5 m 3 /h Druckverlust Heizkörper: 1.5 kpa Daten Heizkörper 2: Volumenstrom der Anlage: 0.3 m 3 /h Druckverlust Heizkörper: 1.5 kpa Gesucht: 1. Berechnen Sie die Konstanten C und K der Heizkörper. 2. Berechnen Sie mit den Konstanten C und K der Heizkörper den Gesamten C und K-Wert der Parallelschaltung 3. Berechnen Sie den Druckverlust der Parallelschaltung mit den C und K-Werten. Prof. Werner Betschart Seite - 15
16 4.4 Graphische Lösung der Serie- und Parallelschaltung Inhalt: Serie- und Parallelschaltungen,, Gesamtkennlinie Ziele: Sie können die in serie oder parallel angeschlossen Teilstrecken und graphisch zu einer Gesamtanlagenkennlinie konstruieren. Ventil Leitungsstück Volumenstrom 1 Druckverlust 1 Volumenstrom 2 Druckverlust 2 Prof. Werner Betschart Seite - 16
17 Prof. Werner Betschart Seite - 17
18 Heizkörper 1 Volumenstrom 1 Druckverlust 1 Volumenstrom 2 Druckverlust 2 Heizkörper 2 Prof. Werner Betschart Seite - 18
19 Serie- und Parallelschaltung von Parallelschaltung Abb. 8 Parallelschaltung (Grundfos) Prof. Werner Betschart Seite - 19
20 Serieschaltung Abb. 9 Serieschaltung (Grundfos) Prof. Werner Betschart Seite - 20
21 4.5 Das diagramm Inhalt Anlagen- und kennlinie, Betriebspunkt, Stromaufnahme Ziel: Sie können das diagramm erklären und den Betriebspunkt einer Pumpe einzeichnen. Prof. Werner Betschart Seite - 21
22 4.6 Die regulierte Pumpe Inhalt Betriebspunkt, Anlage- und kennlinie, kennlinien geregelt (Messpunkt über Pumpe, letzten Verbraucher Ziele: Sie können eine Pumpe bezüglich energetischen Gesichtspunkten auslegen sowie in einem diagramm einzeichnen und erklären. Regulierte Pumpe: Druckfühler bei der Pumpe (lineare und konstante -Regelkennlinie) Drehzahlregulierte Pumpe Prof. Werner Betschart Seite - 22
23 Regulierte Pumpe: Druckfühler bei der Pumpe (lineare und proportionale -Regelkennlinie) Drehzahlregulierte Pumpe Prof. Werner Betschart Seite - 23
24 Regulierte Pumpe: Druckfühler auf der Anlage (exponentielle -Regelkennlinie) Drehzahlregulierte Pumpe Prof. Werner Betschart Seite - 24
25 Berechnung der Drehzahl und Leistungsaufnahme im Teillastfall Prof. Werner Betschart Seite - 25
26 Beispiel regulierung Gegeben: Volumenstrom der Anlage: 10 m 3 /h Druckverlust in der Anlage: 2.9 m WS Gesucht ist die Drehzahl und die Leistungsaufnahme im Teillastfall bei einem Volumenstrom von 6 m 3 /h. Die Differenzdruckfühler sind auf der Anlage, zwischen dem Vor- und Rücklauf, des massgebenden Verbrauchers installiert. Der Druckverlust über dem Verbraucher beträgt 1.50 mws. Regelkennlinie Pumpe: Volumenstrom m 3 /h Förderhöhe mws konstant Förderhöhe variabel mws Förderhöhe gesamt mws Prof. Werner Betschart Seite - 26
27 Proportionalitätskennlinie: Volumenstrom m 3 /h Förderhöhe mws Prof. Werner Betschart Seite - 27
28 Prof. Werner Betschart Seite - 28
29 4.7 Die Über- und Unterversorgung im Auslegezustand Inhalt Betriebspunkt, Anlage- und kennlinie Zusammenspiel Anlagenkennlinie, kennlinien, Ziel: Sie können ein System bezüglich Unter- oder Überversorgung beurteilen. Beispiel: Berechnen Sie eine eventuelle Über- resp. Unterversorgung der nebenstehenden Anlage, wenn diese hydraulisch im Auslegefall nicht abgeglichen ist. Anlagendaten: Notwendiger Volumenstrom durch Verbraucher 1: 6 m 3 /h Notwendiger Volumenstrom durch Verbraucher 2: 4 m 3 /h Druckverlust durch Verbraucher 1: Druckverlust durch Verbraucher 2: 1.5 m WS (nach Druckverlustberechnung) 2.9 m WS (nach Druckverlustberechnung) Verbraucher 1 Verbraucher 2 Volumenstrom 1 Druckverlust 1 Volumenstrom 2 Druckverlust 2 Der Druckverlust der Hauptleitung wird hier, in diesem Beispiel, vernachlässigt!! Prof. Werner Betschart Seite - 29
30 Nicht abgeglichene Anlage Anlagenteil Verbraucher 1 Volumenstrom m 3 /h Druckverlust mws Anlagenteil Verbraucher 2 Volumenstrom m 3 /h Druckverlust mws Gesamtanlage Volumenstrom m 3 /h Druckverlust mws Prof. Werner Betschart Seite - 30
31 Prof. Werner Betschart Seite - 31
32 Über- oder Unterversorgung Gesamtanlage 1 2 Auslegung m 3 /h Nicht abgeglichene Anlage Über/Unterversorgung m 3 /h m 3 /h Prof. Werner Betschart Seite - 32
33 4.8 Das Regulierventil im Teillastverhalten Inhalt Betriebspunkt, Anlage- und kennlinie Zusammenspiel Anlagenkennlinie, kennlinien, Ziel: Sie können das Verhalten eines Regulierventils im Teillastverhalten beurteilen. Beispiel: Berechnen Sie Wassermengen der nebenstehenden Anlage, wenn diese hydraulisch im Auslegefall abgeglichen ist, jedoch das Ventil 1 auf eine Zwischenstellung z.b.kv = 5.65 m 3 /(h bar)zurück reguliert. Ventil 1 Volumenstrom 1 Druckverlust 1 Anlagendaten: Notwendiger Volumenstrom durch Verbraucher 1: 6 m 3 /h Notwendiger Volumenstrom durch Verbraucher 2: 4 m 3 /h k VS Ventil 1: m 3 /(h bar) k VS Ventil 2: 7.56 m 3 /(h bar) Dichte Wasser: 985 kg/m 3 Der Druckverlust der Hauptleitung wird hier, in diesem Beispiel, vernachlässigt!! Ventil 2 Volumenstrom 2 Druckverlust 2 Prof. Werner Betschart Seite - 33
34 Prof. Werner Betschart Seite - 34
35 Auslegung: Anlagenteil Ventil 1 Volumenstrom m 3 /h Druckverlust mws Anlagenteil Ventil 2 Volumenstrom m 3 /h Druckverlust mws Gesamtanlage Volumenstrom m 3 /h Druckverlust mws Prof. Werner Betschart Seite - 35
36 Prof. Werner Betschart Seite - 36
37 Teillastfall: Anlagenteil Ventil 1 Volumenstrom m 3 /h Druckverlust mws Anlagenteil Ventil 2 Volumenstrom m 3 /h Druckverlust mws Gesamtanlage Volumenstrom m 3 /h Druckverlust mws Prof. Werner Betschart Seite - 37
38 Prof. Werner Betschart Seite - 38
39 4.9 Der k VS -Wert und die Ventilautorität Inhalt Druckverlust Ventile Ziel: Sie können das Verhalten eines Regulierventils mit unterschiedlichen k VS -Werten beurteilen. Auslegung Regulierventil DN 40: Ventil 1 DN m 3 /h k vs -Wert m 3 /h bar Druckverlust bar Dichte kg/m 3 Druckverlusthöhe mws Rohr m 3 /h K-Wert m 3 /h bar Druckverlust bar Dichte kg/m 3 Druckverlusthöhe mws Serieschaltung m 3 /h K-Wert m 3 /h bar Druckverlust bar Dichte kg/m 3 Druckverlusthöhe mws Prof. Werner Betschart Seite - 39
40 Prof. Werner Betschart Seite - 40
41 Prof. Werner Betschart Seite - 41
42 Teillastfall Regulierventil DN 40: Prof. Werner Betschart Seite - 42
43 Auslegung Regulierventil DN 50: Ventil 1 DN m 3 /h k vs -Wert m 3 /h bar Druckverlust bar Dichte kg/m 3 Druckverlusthöhe mws Rohr m 3 /h K-Wert m 3 /h bar Druckverlust bar Dichte kg/m 3 Druckverlusthöhe mws Serieschaltung m 3 /h K-Wert m 3 /h bar Druckverlust bar Dichte kg/m 3 Druckverlusthöhe mws Prof. Werner Betschart Seite - 43
44 Teillastfall Regulierventil DN 50: Prof. Werner Betschart Seite - 44
45 4.10 Wärmeübertrager und Ventilkennlinien Inhalt Übertragungsverhalten von Wärmeübertragern, Kennlinie von Regulierventilen, Streckenkennlinie Ziele: Sie können mit der Wärmeübertrager- und Regulierventilkennlinie die resultierende Streckenkennlinie konstruieren. Prof. Werner Betschart Seite - 45
46 Prof. Werner Betschart Seite - 46
47 Prof. Werner Betschart Seite - 47
48 Prof. Werner Betschart Seite - 48
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50 Prof. Werner Betschart Seite - 50
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52 Medien Kontrollierte Grösse Strömungsform Auslegungsparameter "a" Typische Anwendungen Wa sse r - Luft Temperatur T (Mischregelung) Gleichstrom a = T w1 - T w2 T w1 - T a1 Luftaustritt T a2 geregelt Im Lufterwärmer (Vorheizregister) sollte immer Zirkulation vorhanden sein. Kalte Aussenluft soll auf warmes M edium treffen, damit der Wärmeübertrager nicht einfriert. Gegenstrom a = T w1 - T w2 T w1 - T a2 Luftaustritt T a2 geregelt Lufterwärmer (Nachheizregister)mit Einspritzschaltung (2- Weg- oder 3-Weg). Effizienz höher, thermische Belastung für Wärmeübertrager ist kleiner (Eigenspannungen). Gleich- und Gegenstorm a = T w1 - T w2 T w1 - T a2 Raumtemperatur geregelt Volumendurchfluss V Gleichstrom a = 0,6 T w1 - T w2 T w1 - T a1 Luftaustritt Ta2 geregelt Volumendurchflussregelung bedeutet automatisch tiefere "a"-werte und damit höhere Nichtlinearitäten. Empfehlung: Lüftungen mit M ischregelungen. Gegenstrom a = 0,6 T w1 - T w2 T w1 - T a2 Luftaustritt Ta2 geregelt Kühlregister mit Drossel- oder Umlenkschaltung. Falls ungeregelte Entfeuchtung zulässig. Gleich- und Gegenstorm a = 0,6 T w1 - T w2 T w1 - T a2 Raumtemperatur geregelt Wa sse r - Wa sse r Temperatur T (Mischregelung) Gleich- und Gegenstorm a = T 1e - T 1a100 T 1e - T 2e Sekundärer Austritt T 2a nicht geregelt Sekundärer Eintritt T 2e konstant Gleich- und Gegenstorm a = T 1e - T 1a100 T 1e - T 2a Sekundärer Austritt T 2a geregelt Volumendurchfluss V Gleichstrom, f = 1 / 2 Gegenstrom, f = 1 a = f T 1e - T 1a100 T 1e - T 2e Sekundärer Austritt T a2 nicht geregelt Sekundärer Eintritt T 2e konstant Gleichstrom, f = 1 / 2 Gegenstrom, f = 2 a = f T 1e - T 1a100 T 1e - T 2a Sekundärer Austritt T a2 geregelt He izkörpe r a = Erfahrungswerte: 0,5 0,65 Gemäss Herstellangaben, kann wegen Trägheit des Systems vernachlässigt werden. Vorlauftemperaturregelung 1 z.b. Beimischschaltung Abb. 10 a-wert Bestimmung (Siemens) Prof. Werner Betschart Seite - 52
53 Aufgabe: Gegeben ist eine Lüftungsanlage mit einem Lufterhitzer (Nachwärmer). Die Zulufttemperatur wird auf konstant 21 C geregelt Gesucht ist das Regelverhalten des Nachwärmers im Zusammenspiel mit dem Regulierventil. Von der Anlage sind folgende Daten gegeben: Wasserseite: Vorlauftemperatur 50 C Rücklauftemperatur 40 C Ventilautorität: Pv = 0,60 (aus der Druckverlustberechnung) Luftseite: Aussenlufttemperatur 14 C Zulufttemperatur 21 C Leistung: 45 kw Lösungsweg: 1. Welche variable Grösse wird für die Anpassung der Leistung herangezogen? 2. Welche Art der Wärmeübertragung erkennen Sie? 3. Bestimmen Sie den Auslegungskennwert a für den Wärmeübertrager 4. Welche Ventilkennlinie wählen Sie? 5. Erstellen Sie die Streckenkennlinie dieser Regelstrecke 6. Welche Leistung wird bei einem Hub von 80, 50 und 10 % Prof. Werner Betschart Seite - 53
54 Lösungen: 1. Welche variable Grösse wird für die Anpassung der Leistung herangezogen? 2. Welche Art der Wärmeübertragung erkennen Sie? Prof. Werner Betschart Seite - 54
55 3. Bestimmen Sie den Auslegungskennwert a für den Wärmeübertrager Prof. Werner Betschart Seite - 55
56 4. Welche Ventilkennlinie wählen Sie? Prof. Werner Betschart Seite - 56
57 5. Erstellen Sie die Streckenkennlinie dieser Regelstrecke Prof. Werner Betschart Seite - 57
58 Prof. Werner Betschart Seite - 58
59 6. Welche Leistung wird bei einem Hub von 80 % 50 % und 10 % Abb. 11 Streckenkennlinie (Siemens) Prof. Werner Betschart Seite - 59
60 Prof. Werner Betschart Seite - 60
61 4.11 Der Wirkungsgrad von Inhalt Volumenstrom, Druckverlust, hydraulische Leistung, Wirkungsgrad Ziel: Sie können den Wirkungsgrad einer Pumpe berechnen. Abb. 12 datenblatt Pumpe (Grundfos) Prof. Werner Betschart Seite - 61
62 Volumenstrom m 3 /h Leistungsaufnahme W Förderhöhe mws P hydr W Wirkungsgrad % Prof. Werner Betschart Seite - 62
63 4.12 NPSH und Kavitation Inhalt Druck in der Anlage, Verdampfungsdruck Ziel: Sie können die Einbausituation einer Pumpe bezüglich Kavitation beurteilen. Abb. 13 laufrad zerstört durch Kavitation Prof. Werner Betschart Seite - 63
64 H D Heizungs- und Energietechnik sua zp kcur e gs gnunhedsu A kcur kcur Dr et dr lu eb Ü osba ssäf zner l fefi im ep dnehö p kcur kcur tdf u D evkc sulr t ru D evkcur vp kcur svpt s ds gn lu r fu p madr D e V f ti r e ehr HSP N ehci S rh ov HSPN ehcsi nezt kcur Dr r tu sp edf ma s gua S manyd tei es gua S kcur ua D Abb. 14 Anlagenbild für NPSH Berechnung Prof. Werner Betschart Seite - 64
65 Aufgabe NPSH und Kavitation Gegeben: Eine Wärmeerzeugerpumpe ist bezüglich Kavitationsgefahr zu überprüfen. Von der Anlage sind folgende Daten bekannt: Daten Betriebszustand: Daten Füllzustand: Rücklauftemperatur: 60 C 10 C Druckverlust Neutraler Punkt saugstutzen 7500 Pa 7300 Pa Druck im Ausdehnungsgefäss 2.3 bar 1.5 bar Luftdruck 950 mbar 950 mbar Höhendifferenz Ausdehnungsgefäss saugstutzen 0.6 m 0.6 m Notwendiger NPSH (Angabe lieferant) 4.5 m 2.5 m Sicherheit 2.0 m 2.0 m Dichte kg/m kg/m 3 Verdampfungsdruck Pa 1227 Pa Gesucht: 1. Vorhandener NPSH im kalten Zustand und Betriebs 2. Ist Kavitationsgefahr vorhanden? Prof. Werner Betschart Seite - 65
66 Lösung kalter Zustand Betriebszustand Höhendifferenz Ausdehnungsgefäss saugstutzen mws Druck im Ausdehnungsgefäss mws Luftdruck mws Verdampfungsdruck (Stofferttabellen) mws Druckverlust Neutraler Punkt saugstutzen mws NPSH vorhanden mws NPSH erforderlich + Sicherheit mws Prof. Werner Betschart Seite - 66
67 4.13 Literatur- und Quellenverzeichnis Recknagel, Sprenger, Schramek, 2010/11, Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, Oldenburg Verlag München Wagner, Walter, Regelarmaturen, 1. Auflage, Würzburg, Vogel 1996 Wagner, Walter, Wärmeübertragung, 6. Auflage, Würzburg, Vogel 2004 Wagner, Walter, Wärmeaustauscher, 3. Auflage, Würzburg, Vogel 2005 Günter Cerbe u. Gernot Wilhelms, Technische Thermodynamik, 15. Auflage, München, Hanser, 2008 Ihle / Prechtl, Die warmwasserheizung, 4. Auflage, Werner Verlag, ISBN-13: , 2010 VDI-Wärmeatlas, 2012, VDI Gesellschaft, ISBN , Allan Skovgaard, Claus Bærnholdt Nielsen, PUMPENHANDBUCH GUNDFOS, GRUNDFOS GmbH Erkrath, 2004 Biral, Danfoss, 2012, Produktdokumentationen, (2012). TA Hydronics, 2012, Produktdokumentationen, (2012). SIEMENS, de Regeln und Steuern von Heizungsanlagen SIEMENS, de Hydraulik in der Gebäudetechnik SIEMENS, 2012, Produktdokumentationen, (2012). Prof. Werner Betschart Seite - 67
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